Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Мезоскоп разглядел сеть каналов в бактериальной биопленке

Сеть каналов в двух растущих на одной среде штаммах бактерий

Liam Rooney, William Amos, Paul Hoskisson & Gail McConnell / The ISME Journal, 2020

С помощью мезоскопического конфокального микроскопа исследователи обнаружили, что бактериальные биопленки пронизаны сетью каналов, которые восстанавливаются после разрушения структуры колонии и не пересекаются между двумя культурами. Вероятно, система каналов нужна для транспорта питательных веществ, и ее можно использовать для доставки антибиотиков вглубь биопленок. Статья опубликована в журнале The ISME Journal.

Бактерии часто растут в виде биопленок — колоний, которые прикреплены к поверхности и погружены в сложный внеклеточный матрикс. Структура биопленок, которая защищает микроорганизмы от неблагоприятных условий среды, в том числе действия антибиотиков, изучена мало. Дело в том, что обычная оптическая микроскопия позволяет рассматривать либо отдельные бактерии на большом увеличении, либо колонию в целом — но с низким разрешением.

Ученые из шотландского Университета Стратклайда под руководством Лиама Руни (Liam Rooney) исследовали структуру биопленок бактерий Escherichia coli с помощью мезоскопического конфокального микроскопа Mesolens. Это большой объектив с четырехкратным увеличением и числовой апертурой 0,47, что примерно в пять раз больше, чем у обычного объектива с таким увеличением. Микроскоп позволяет регистрировать поле зрения в шесть квадратных миллиметров с боковым разрешением 700 нанометров и аксиальным (в глубину) 7 микрометров — то есть рассматривать отдельные бактерии и структуру целой биопленки одновременно (хотя раньше Mesolens не пробовали применять в микробиологии).

С помощью мезоскопа ученые увидели, что бактериальная культура пронизана трехмерной сетью каналов шириной около 15 микрометров Даже после того, как структуру колонии нарушили, каналы снова сформировались, хотя живых бактерий в биопленке стало меньше. Значит, образование каналов — свойство не отдельных клеток, а колонии в целом.

Когда два изогенных (с одинаковыми генотипами) штамма выращивали в одной культуре, их каналы не пересеклись и не нарушали границы колоний — у каждой образовалась своя замкнутая система каналов.

Исследователи предположили, что каналы могут быть транспортной сетью биопленки и доставлять питательные вещества в центр колонии. Чтобы проверить это, в культуру ввели флуоресцентные микросферы диаметром 200 нанометров, а также наблюдали за ростом колонии в среде с арабинозой как единственным источником углерода.

На внешних частях колонии флуоресцентные микросферы распределились равномерно, а в глубину биопленки продвигались вдоль каналов. В арабинозной же среде плотность бактерий была наибольшей вдоль каналов, а значит, концентрация арабинозы в сети каналов была наивысшей и питательные вещества распространялись именно этим путем. Раньше считалось, что вещества проникают вглубь биопленок исключительно благодаря пассивной диффузии, а система, которая могла бы реализовать активный транспорт, была неизвестна.

Авторы работы предполагают, что исследование систем каналов в бактериальных биопленках откроет новые возможности для доставки антибиотиков и подавления роста патогенов.

Транспорт веществ по каналам — не единственный механизм, который помогает бактериям в центре колонии выживать и поддерживает целостность биопленки. Сами бактерии взаимодействуют и распределяют обязанности — например, клетки, которые составляют ядро колонии, контролируют рост внешних, и наоборот.

Алиса Бахарева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.